Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Như chúng ta đã biết vấn đề nhiên liệu và ô nhiễm môi trường đang là thách thức đối với các hãng sản xuất ô tô. Năng lượng truyền thống (năng lựợng hóa thạch) đang ngày càng cạn kiệt, ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng đã và đang là những vấn đề mang tính toàn cầu. Một trong những giải pháp để giảm thiểu vấn đề nêu trên được các hãng xe đưa ra là chế tạo ra những dòng xe điện (EV: Electric Vehicle) và xe lai điện (HEV: Hybrid Electric Vehicle). Một chiếc xe sử dụng hai nguồn động lượng (một động cơ đốt trong (Internal Combustion Engine: ICE) và một thiết bị tích trữ năng lượng thì được gọi là hệ thống Hybrid [1].
Hiện nay, hệ thống xe hybrid kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện được sử dụng khá phổ biến. Hệ thống này thường được chia làm 3 kiểu truyền lực: kiểu nối tiếp, kiểu song song và kiểu hỗn hợp [1]. Dù là kiểu hệ thống truyền lực nào đi nữa thì hệ thống Hybrid đều phải có các bộ phận như động cơ đốt trong ICE, mô tơ điện/máy phát điện (Motor/Generator: MG) và ắc quy cao áp (HVB: Hybrid Vehicle Battery). Một trong những yếu tố giúp dòng xe này tiết kiệm nhiên liệu đó là nó tận dụng được năng lượng tái tạo khi xe giảm tốc thông qua hệ thống phanh tái sinh (Regenerative Brake System: RBS).
Như vậy, hệ thống phanh trên ô tô là một hệ thống an toàn. Quá trình phanh là quá trình chuyển hóa năng lượng từ cơ năng thành nhiệt năng tại các cơ cấu phanh. Quá trình chuyển hóa này làm tổn hao năng lượng động năng mà xe ô tô phải tiêu tốn một lượng nhiên liệu nhất định mới đạt được. Tuy nhiên, vì lý do an toàn mà hệ thống phanh cơ khí vẫn được sử dụng mặc dù năng lượng tiêu tán này là không hề nhỏ.
Hệ thống phanh tái sinh RBS ra đời với mục đích thu hồi để tái sử dụng lại năng lượng quán tính của xe trong quá trình phanh hoặc giảm tốc, giúp tiết kiệm nhiên liệu và tăng tuổi thọ cho cơ cấu phanh [1]. Đã có nghiên cứu đã chỉ ra rằng: Một chiếc xe ô tô có khối lượng bản thân 300kg đang di chuyển với vận tốc 72km/h, sử dụng hệ thống phanh thông thường để giảm 1 tốc xe xuống còn 32km/h thì giá trị năng lượng tiêu tốn được tính theo công thức: 1 E k = mv 2 sẽ là 47, 8 kJ. Trong đó Ek là động năng của xe; m là khối lượng của xe 2 và v là vận tốc của xe. Nếu như năng lượng này được thu hồi và tích trữ để sử dụng lại cho việc tăng tốc của xe thay vì tiêu tán thành nhiệt năng và tiếng ồn ở cơ cấu phanh.
Giả sử thu hồi lại được 25% năng lượng đó (tức là 25 % của 47, 8 kJ = 11,95kJ). Năng lượng này đủ để gia tốc chiếc xe đó lên tốc độ từ 0 đến 32 km/h [2]. Trên thực tế, ý tưởng về hệ thống phanh tái sinh năng lượng đã được nghiên cứu và được sử dụng trên tàu điện bằng việc sử dụng các mô tơ điện hoạt động với chức năng như là các máy phát điện trong khi tác động phanh. Với việc cải tiến công nghệ chế tạo các chi tiết và kỹ thuật điều khiển đã làm tăng hiệu suất của hệ thống phanh tái sinh trên tàu điện cho thấy có thể giảm được 37% năng lượng điện tiêu hao khi tàu điện sử dụng phanh tái sinh [1] [3] [ 4].
Ô tô sử dụng động cơ đốt trong khó có thể đạt được đến mức nêu trên bằng việc sử dụng phanh tái sinh bởi vì không giống như mô tơ điện, quá trình chuyển đổi năng lượng trong động cơ đốt trong không thể được phục hồi. Mặt khác khối lượng của ô tô nhỏ hơn tàu điện do đó năng lượng quán tính của nó nhỏ hơn và lượng năng lượng thu hồi và tích trữ khi phanh sẽ ít hơn. Thêm vào đó, cần phải có các thiết bị biến đổi và tích trữ năng lượng. Theo các nghiên cứu gần đây thì năng lượng được tái tạo, biến đổi và tích trữ dưới các dạng khác nhau được mô tả như trong hình 1.1: Các hướng nghiên cứu tích trữ năng lượng khi phanh [5] 2 1.2 Phân loại hệ thống phanh tái sinh 1.1 Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng.
Kiểu tích trữ năng lượng này được áp dụng rộng rãi trên xe điện (EV) và xe lai điện (HEV). Năng lượng điện để dẫn động xe có thể được tích trữ bằng các thiết bị lưu trữ điện. Hệ thống này biến đổi động năng khi phanh thành điện năng lưu trữ vào ắc quy để có thể sử dụng lại. Mô tơ dẫn động có thể hoạt động như một máy phát điện cung cấp một tải cản trở lại sự quay của bánh xe có tác dụng như mô men phanh.
Trong khi phanh tái sinh mô tơ điện hoạt động như một máy phát để nạp cho ắc quy [6] do đó hiệu suất nạp thấp khi xe ở tốc độ thấp nên ở dải tốc độ này thường dùng hệ thống phanh bằng cơ khí.2: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng phanh tái sinh dạng điện năng [7] Trên những xe điện các bộ chấp hành phanh RBS là các mô tơ/máy phát hoạt động ở các chế độ khác nhau, có thể hoạt động với điện áp một chiều hoặc xoay chiều. Các thiết bị tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh là ắc quy, siêu tụ hoặc kết hợp cả hai [7]. Hệ thống RBS với thiết bị tích trữ năng lượng là ắc quy thường được sử dụng cho các xe EV và HEV và cần phải có các bộ biến đổi điện (Inverter và Converter) [7].3: Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ converter [7] Nhược điểm của kiểu tích trữ năng lượng bằng ắc quy là ắc quy cung cấp điện DC trong khi các mô tơ điện lại sử dụng điện AC, do đó, cần phải sử dụng một bộ biến đổi (inverter và converter). Điện áp và dòng điện sử dụng lớn nên cần phải có các linh kiện công suất dẫn dòng điện có thể lên đến 750A và điện áp 600V, kỹ thuật điều khiển phức tạp và tuổi thọ của ắc quy ngắn [1].
Do đó giá thành rất cao. Ngoài ra, khi sử dụng ắc quy thì mật độ tích trữ năng lượng trong một thời gian ngắn là thấp trong khi qúa trình giảm tốc hoặc phanh của xe yêu cầu thời gian nạp điện lại ngắn có thể tính bằng giây trong khi thời gian nạp của ắc quy lại tính bằng giờ. Đó là lý do cần thiết phải có sự phối hợp giữa ắc quy và siêu tụ [7].4: Sơ đồ hệ thống phanh tái sinh với siêu tụ [7] 4 1.2 Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng các bộ tích năng thủy lực Các hệ thống tích trữ năng lượng dưới dạng thủy lực đã được nghiên cứu và ứng dụng trong công nghiệp ô tô trong nhiều năm [1]. Một bộ tích trữ thủy lực có thể tích trữ được một lượng dầu áp suất lớn.
Thiết bị này tích trữ năng lượng bằng việc nén một chất khí (thường là khí Nitơ) [8]. Một hệ thống hybrid thủy lực thường có một bộ tích năng, một bình chứa dầu, và một bơm/mô tơ thủy lực (bơm thủy lực có thể hoạt động như một mô tơ thủy lực). Cũng giống như xe điện, hệ thống hybrid thủy lực này cũng ít hiệu quả ở tốc độ thấp bởi vì tổn hao cơ lớn. Thêm vào đó, dung lượng và kết cấu của bộ tích trữ thủy lực cũng cần được cải thiện về trọng lượng bản thân.
Có 2 kiểu kết cấu hệ thống truyền lực Hybrid thủy lực [1]. Kiểu thủy tĩnh thuần túy (tích hợp hay nối tiếp) được dựa trên hộp số thủy tĩnh thuần túy và cần một bơm và bơm/mô tơ bơm. Chức năng của mô tơ/bơm hoạt động phụ thuộc vào xe và sẽ dẫn động xe khi phanh tái sinh được tác dụng [8].5: Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng thủy lực [8] Ưu điểm của hệ thống tích trữ năng lượng kiểu thủy lực là dễ vận hành, công suất thu hồi cao. Tuy nhiên, kết cấu của các bộ chấp hành thủy lực thường lớn do đó hiệu suất về tiết kiệm nhiên liệu không cao khi áp dụng cho các xe tải trọng nhỏ.
Hệ thống này thường được áp dụng cho các xe tải trọng lớn [7].3 Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng bằng bánh đà (Flywheel). 1 Năng lượng được tích trữ vào bánh đà được tính theo công thức E = J.ω2 2 trong đó J là mô men quán tính và ω là tốc độ góc của bánh đà. Năng lượng này tỷ lệ với bình phương tốc độ quay do đó tăng tốc độ lên sẽ có thể tích trữ năng lượng nhiều hơn [1]. Do đó một bánh đà được sử dụng như một thiết bị tích trữ năng lượng.
Hiện nay có hai kiểu bánh đà siêu tốc dựa trên công nghệ KERS (Kinetic Energy Recovery System) lần đầu tiên được áp dụng trên xe đua F1 đó là hãng Flybird và Williams Hybrid Power. Bánh đà của Flybrid là một hệ thống cơ khí đơn thuần. Có thể được gắn với một số bộ phận quay trong hệ thống truyền lực, từ trục tốc độ động cơ cho tới vi sai, bánh đà kết hợp với hộp số có dải tỷ số truyền rộng để phù hợp với tốc độ của động cơ. Trong các ứng dụng với xe du lịch người ta sử dụng hộp số vô cấp CVT (Continuously Variable Transmission).6: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng bánh đà [9] Ngoài ra, hệ thống bánh đà Williams Hybrid Power (WHP) sử dụng composite từ tính (MLC) để đạt hiệu suất chuyển đổi rất cao nên có giá thành cao hơn, hệ thống này được ứng dụng cho xe cao cấp [9].7: Bánh đà tích điện trên xe Porches 918 RSR concept [9] Bánh đà thường được sử dụng để cung cấp năng lượng liên tục cho những bộ phận mà động lực được cung cấp bị ngắt quãng.
Khi phanh, bánh đà có tác dụng thu hồi năng lượng, sau đó “góp” động năng cùng với động cơ khi xe tăng tốc, điều này có thể làm giảm tiêu hao 25% nhiên liệu. Động cơ 4 xi-lanh vận hành sẽ sinh ra lực tương đương với động cơ 6 xi-lanh [10]. Các ưu điểm của phương pháp tích trữ năng lượng bằng bánh đà là: Mật độ tích trữ năng lượng cao; tích trữ và giải phóng năng lượng một cách trực tiếp dưới dạng cơ năng mà không cần các thiết bị chuyển đổi do đó ít tổn hao; quá trình nạp năng lượng nhanh.